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何謂EMC/EMS/EMI? EMC/EMS類型與解決方法


何謂EMC/EMS/EMI? EMC/EMS類型與解決方法

什麼是EMI
電磁干擾(Electromagnetic Disturbance,EMI)定義為,任何可能引起裝置、設備或系統性能降低或者對有生命或無生命物質產生損害作用的電磁現象。電磁干擾可能是電磁噪音、無用訊號或傳播媒介自身的變化。從傳輸媒介中洩露出的輻射,主要成因是由於使用了高頻波能量和訊號調製。可採用適當的遮罩來降抵電磁干擾。

 
什麼是EMC
所謂EMC(Electromagnetic Compatibility;電磁共容)實際上包含EMI(Electromagnetic Interference;電磁干擾)及EMS(Electromagnetic Sensibility;電磁耐受)兩大部份。
EMI指的是電氣產品本身通電後,因電磁感應效應所產生的電磁波對週遭電子設備所造成的干擾影響。EMS則是指電氣產品本身對外來電磁波的干擾防禦能力,也就是電磁場的免疫程度。
 
簡單來說,只要是需要電力工作的產品都會有EMI問題,一個電子產品中的EMI來源多半來自交換式電源供應迴路(Switching Power Supply Circuit)、振盪器(Crystal)和各類時鐘信號(Clock Signal),而根據傳導模式不同,EMI可分為接觸傳導(Conducted Emission)和幅射傳導(Radiated Emission)兩類。
 
接觸傳導是由電源供應回路所形成的電磁波雜訊,透過實體的電源線或信號導線傳送至電源電路內的一種電磁波干擾模式,此狀況會造成與干擾設備使用同一電源電路的電氣設備被電磁雜訊干擾,產生功能異常現象,通常發生在較低頻;幅射傳導則是電路本身通電之後,由電磁感應效應所產生的電磁波幅射發散所形成的電磁干擾模式,常見於高頻。
 
幅射傳導EMI產生的問題通常較接觸傳導嚴重,其解決方式有下列幾種:
1. 在干擾源加LC濾波回路。
2. 在I/O端加上濾波電容,把雜訊導入大地。
3. 用遮蔽隔離(Shielding)的方式把電磁波包覆在遮蔽罩內。
4. 儘量將PCB的地面積擴張。
5. 產品內部儘量少使用排線或實體線。
6. 產品內部的實體線儘量做成絞線以抑制雜訊幅射,同時在排線的I/O端加上濾波電容。
7. 在差模信號線的始端或末端加上共模濾波器(Common Mode Filter)。
8. 遵循一定的類比和數位佈線原則。
 
此外,EMI的形成又可分為共模幅射(Common Mode)和差模幅射(Differential Mode)兩類。專家表示,共模幅射包括共地阻抗之共模干擾(Common-Mode Coupling)和電磁場對導線的共模干擾(Field to cable/trace Common-Mode Coupling),前者是因雜訊產生源與受害電路間共用同一接地電阻所產生的共模干擾,解決方法可藉由實行地的切割來必免共地干擾問題;後者則為高電磁能量所形成的電磁場對設備間之配線所造成的干擾,可藉由遮蔽隔離(Shielding)的因應方法來處理場對線的干擾問題。
 
至於差模幅射,常見的是導線對導線的差模干擾(Cable to Cable Differential-Mode Coupling),干擾途徑為某一導線內的干擾雜訊感染到其他導線而饋入受害電路,屬於近場干擾的一種,可藉由加寬線與線之間的距離來處理此類干擾問題。
 
常見EMI抑制方式
目前對於EMI的常見抑制方式包括屏蔽法(Shielding)、擴展頻譜法(Spread Spectrum)、使用濾波器(Filter)等,以及透過整合接地、佈線、搭接等層面來防治。
 
電磁屏蔽法
在電磁屏蔽法大部份是用來屏蔽300MHz以上的電磁雜訊,例如法拉第蓋的使用就是一例,此外,運用遮蔽複合材料也是常見的手法,例如手機就常見以真空電鍍方式,在塑膠殼內部佈滿一層如鎳之類的屏蔽材質,藉此隔絕電磁波發散。
 
擴展頻譜法
擴展頻譜法則是用來將時鐘(Clock)的信號展頻,使其峰值(Peak)信號波形振幅減低來降低信號的峰值位準,目前有些BIOS已提供內建的擴頻功能,可讓使用者自行設定。使用擴頻法需要在信號失真度和EMI減弱程度之間取得平衡,一般是取1%~1.5%,若超過3%通常就會讓信號過於失真而不可行。
 
此外,濾波器或濾波回路的使用因為成本低廉且SMD(表面黏著)製程的加工需求,所以最為一般設計工程師採用。濾波器的使用機會和模式根據不同防治需求來決定,例如大電流的Bead可用在電源電路的路徑(Power Trace)上;一般的Bead可用來抑制某特定頻率的雜訊信號;CMF則用來抑制USB、1394、LVDS等差模線路的雜訊幅射問題。
 
不過對於EMI的抑制有諸多解決方式,必須因時因地制宜選擇,只要有效就是好的防制方法,並沒有哪一種特定方式特別勝出。
 
高速數位電路及類比-數位混合電路EMI防治法
由於運算速度的提升和高速傳輸介面的應用,目前數位電路已走向高速化。在高速數位電路中,只要阻抗匹配接近理想的阻值(以銅線被覆於FR4材質而言約50歐姆),讓所有信號線都成為傳輸線(Transmission Line)的理想狀態下,理論上應該不會產生EMI問題,但是目前實際上的佈線設計還無法達到上述要求,所以只好將高速信號線儘量走在內層,其相鄰的上層用地(鋪銅)來覆蓋以達到遮蔽隔離(Shielding)電磁幅射的效果,亦或在信號線上適當的距離加上對地的濾波電容(DeCap bypass to Ground)來降低EMI。
 
類比及數位信號混合電路EMI防治,可以下幾個可遵循的設計原則:
1. 類比與數位信號須分區布線。
2. 所有類比信號要在類比區內布線(包含地,電源及信號線)。
3. 所有數位信號要在數位區內布線(包含地,電源及信號線)。
4. 嚴禁類比或數位信號直接跨區布線。
5. AD IC晶片下方嚴禁布線。
 
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